Brain-to-brain communication has arrived. How we did it

Le 12 juin 2014,
précisément à 3h33,

par un confortable après-midi
d'hiver à São Paulo, au Brésil,

par un après-midi d’hiver
sud-américain tout à fait typique,

ce jeune homme
que vous voyez célébrer ici,

comme s'il venait
de marquer un but,

c'est Juliano Pinto, 29 ans.
Il a accompli un acte magnifique.

Malgré sa paralysie

et l'absence totale
de sensation du milieu de sa poitrine

jusqu'au bout de ses orteils,

causées par un accident de voiture
qui, six ans plus tôt, a tué son frère

et endommagé sa moelle épinière
au point de perdre l'usage de ses jambes,

Juliano a relevé le défi
et a accompli ce jour-là quelque chose

que presque tout le monde l'ayant
vu il y a six ans aurait cru impossible.

Juliano Pinto a donné le botté d'envoi

de la Coupe du monde
de soccer au Brésil, en 2014,

juste en y pensant.

Il ne pouvait pas bouger son corps,

mais il pouvait imaginer les mouvements
lui permettant de botter un ballon.

Il était athlète avant son accident
et est maintenant para-athlète.

Il participera aux Jeux paralympiques
dans quelques années, je l'espère.

Car la blessure
de Juliano ne lui a pas enlevé

sa capacité à rêver.

Et rêver, c'est ce qu'il a fait
ce jour-là dans un stade

devant 75 000 personnes

et près d'un milliard d'autres
regardant leur télévision.

Ce botté a été le couronnement de près
de 30 ans de recherche fondamentale;

30 ans à étudier à quel point le cerveau,

cet incroyable univers
que nous avons entre les oreilles,

est la seule chose comparable à l'univers
qui se trouve au-dessus de nos têtes,

car il est composé
de près de 100 milliards d'éléments

communiquant entre eux
par connexions électriques.

Ce que Juliano a accompli
a pris 30 ans à imaginer en laboratoire

et près de 15 ans à élaborer.

Il y a 15 ans, lorsque moi et John Chapin
avons proposé dans un article

de construire ce que nous avons
appelé une interface cerveau-machine,

c'est-à-dire connecter
un cerveau et un appareil

de manière à ce qu'un animal ou
un humain puisse contrôler cet appareil,

peu importe la distance
avec leurs propres corps,

et ce, juste en imaginant leurs actions,

nos collègues nous ont dit que nous
avions besoin de l'aide de professionnels,

de professionnels en psychiatrie.

Et malgré cela,
nous avons persévéré,

car c'est ainsi que nous avons
été élevés dans nos pays respectifs.

Ainsi, pendant 12, 15 ans,

nous avons démontré
et redémontré que c'était possible.

Une interface cerveau-machine,
n'est pas bien compliquée,

ce n'est que
de la recherche sur le cerveau;

ce n'est qu'utiliser des senseurs

pour lire les connexions
électriques produites par le cerveau

afin de générer des commandes motrices

extraites de la moelle épinière.

Nous avons donc recouru
à des senseurs pouvant lire

communiquer avec des centaines,
voire des milliers de cellules de cerveau

et extraire de leurs signaux électriques

la planification motrice
générée par le cerveau

qui nous permet de nous déplacer.

Après quoi, nous avons converti
les signaux en commandes digitales

compréhensibles pour tous les appareils
mécaniques, électroniques et virtuels.

Le sujet, humain ou animal, peut donc
imaginer ce qu'il souhaite faire bouger,

et l'appareil obéit
aux commandes du cerveau.

En rendant ces appareils
sensibles à différents types de senseurs,

comme vous pourrez
le voir dans un moment,

nous avons été en mesure de renvoyer
des messages au cerveau afin de confirmer

la commande de motricité volontaire, et ce
sans souci de la distance avec le sujet :

il peut être dans la pièce d'à côté
comme de l'autre côté de la planète.

Au moment où
le cerveau reçoit la rétroaction,

il a atteint son but :
créer un mouvement.

Voici une expérience qui a été
rendue publique il y quelques années

où un singe,
sans faire bouger son corps,

a appris à contrôler un bras avatar,

un bras virtuel, qui n'existe pas.

Ce que vous entendez
est le son du cerveau du singe

alors qu'il survole
les différentes sphères visibles

dans l'espace virtuel.

Pour avoir sa récompense – une goutte de
jus d'orange, très apprécié des singes –,

il doit sélectionner
l'un de ces objets

par le toucher

– à l'aveugle, seulement en y touchant –;

à chaque fois que
la main virtuelle touche l'un des objets,

le cerveau du singe reçoit
une impulsion électrique

lui décrivant de quelle texture est
la surface de l'objet en question.

L'animal peut donc
identifier l'objet qu'il doit saisir :

s'il y parvient, il reçoit sa récompense,
le tout sans bouger un muscle.

C'est le déjeuner
brésilien par excellence :

Boire un jus d'orange
sans bouger d'un poil.

En observant les résultats,

nous avons reproposé
ce que nous avions publié il y a 15 ans.

Nous avons mis l'article de l'avant,

nous l'avons ressorti de nos tiroirs

en avançant qu'un humain
paralysé pourrait être amené

à utiliser l'interface
cerveau-machine pour regagner sa mobilité.

L'idée étant que quelqu'un souffrant –

cela peut arriver à n'importe qui.

Je vous le dis, c'est très soudain.

Une milliseconde de collision

durant un accident de voiture, et c'est
toute votre vie qui est transformée.

Dans le cas d'une lésion
totale de la moelle épinière,

on ne peut pas bouger car les connexions
ne peuvent pas atteindre les muscles.

Toutefois, ces connections
sont toujours générées dans votre tête.

À chaque nuit, les patients paraplégiques
et tétraplégiques rêvent qu'ils bougent.

Tout est dans leurs têtes.

Le problème réside dans
la manière d'en extraire les connexions

et ainsi permettre
de nouveau le mouvement.

Alors nous nous sommes dits
qu'il nous fallait créer un nouveau corps;

il nous fallait
créer une veste robotique.

Voilà comment Juliano a pu botter
le ballon, uniquement en y pensant.

Il portait la première veste
robotique contrôlée par le cerveau

permettant à des paraplégiques
ou des tétraplégiques de se déplacer

et de ressentir
à nouveau un influx nerveux.

C'était l'idée que nous avions
énoncée, 15 ans auparavant.

Je vais vous montrer comment 156
personnes originaires 25 pays,

originaires des cinq continents
de cette merveilleuse Terre

ont laissé tomber
leurs vies, leurs brevets

leurs chiens, leurs femmes,
leurs enfants, leurs études, leur travail,

et se sont rassemblés au Brésil pendant
18 mois afin de mener à bien ce projet.

Quelques années plus tard, le Brésil était
désigné pour accueillir la Coupe du monde.

Nous avons su que le le gouvernement
souhaitait faire quelque chose d'important

durant la cérémonie d'ouverture,

le Brésil étant un pays qui
a réinventé et perfectionné le soccer.

Enfin, jusqu'à
sa rencontre avec les Allemands.

(Rires)

Mais cela est une autre discussion.

Je laisse à un autre
neuroscientifique le soin d'en parler.

Ce que voulait
le Brésil, c'était se présenter

comme un pays
complètement différent;

un pays estimant
la science et la technologie

et étant prêt à faire une fleur à près de
25 millions de gens à travers le monde,

atteints d'une blessure à la moelle
épinière qui les empêche de bouger.

Alors nous sommes
allés voir le gouvernement

et la FIFA et nous leurs avons proposé

que le coup d'envoi
de la Coupe du monde

soit donné par un tétraplégique brésiien

utilisant un exosquelette contrôlé
par son cerveau pour botter le ballon

et en ressentir le contact.

On nous a regardé, sans doute
en pensant que nous étions fous,

puis on nous a dit :
« d'accord, essayons ».

Nous n'avons eu que 18 mois
pour tout faire, à partir de rien :

Ni exosquelette, ni patients.

Tout restait à faire.

Toutes ces personnes
se sont rassemblées et,

en 18 mois, nous avions
8 patients en routine d’entrainement

et, à partir de presque rien,
nous avions construit cela.

Nous l'avons appelé Bra-Santos Dumont 1.

Le premier exosqulette contrôlé
par le cerveau à être construit

porte le nom du plus célèbre
de tous les scientifiques brésiliens,

Alberto Santos Dumont,

qui, le 19 octobre 1901,
atteignit par la voie des airs

Paris devant un million de personnes, dans
le premier dirigeable jamais construit.

Désolé, mes amis des États-Unis,

– je vis en Caroline du Nord –,

mais c'était deux ans avant
que les frères Wright ne s'envolent

au-dessus de la côte
de la Caroline du Nord.

(Applaudissements)

Le contrôle des airs revient au Brésil.
(Rires)

Alors nous avons travaillé ensemble,

et nous avons littéralement
construit cet exosquelette :

une machine hydraulique
de 15 degrés de liberté de mouvement

pouvant être contrôlée
par les signaux du cerveau

enregistrés par un procédé non invasif,
appelé électroencéphalographie,

lequel permet au patient
d'imaginer des mouvements,

d'envoyer ses commandes
aux contrôles et aux moteurs

et de les exécuter.

l'exosquelette a été
recouvert d'une peau artificielle,

inventée à Munich par l'un de
mes grands amis, Gordon Cheng.

Elle permet au sentiment de
mouvement des articulations

et de contact des pieds avec le sol

d'être transmise au patient
par l'entremise d'une sorte de chemise,

une petite chemise
composée d'éléments micro-vibrants

envoyant au cerveau du patient
une rétroaction qui le trompe

en créant la sensation que
le patient n'est pas porté par la machine,

mais que c'est lui qui marche de nouveau.

Nous avons donc continué sur cette voie.
Ce que vous voyez en ce moment

est la première fois que l'un de
nos patients, Bruno, a marché de nouveau.

Cela prend quelques secondes,
car nous faisions quelques ajustements.

Vous allez voir une lumière bleue
sur le devant du casque,

car que Bruno va imaginer
le mouvement qu'il doit exécuter :

l'ordinateur va alors l'analyser,
Bruno va la confirmer et,

une fois cela accompli,

l'appareil va se mettre à bouger,
conformément aux commandes de Bruno.

Il a réussi,
maintenant il commence à marcher.

Après 9 années d'immobilité,

il marche désormais par lui-même.

Et plus encore.

(Applaudissements)

Il ne fait pas que marcher,

il sent le sol sous ses pieds

et lorsque la machine accélère,

Il nous dit qu'il croit
de nouveau marcher sur la plage de Santos,

la station balnéaire où il avait
l'habitude d'aller avant son accident.

En fait, le cerveau
de Bruno crée une nouvelle sensation.

Alors, il marche puis, à la fin du test,
– je commence déjà à manquer de temps –,

il nous dit : « les gars,

je vais devoir
vous emprunter ça lors de mon mariage,

car je veux marcher jusqu'au prêtre,

voir ma mariée et être
vraiment là par moi-même.

Bien sûr, il pourra
l'emprunter quand il le voudra.

Et voilà ce que nous voulions mais n'avons
pas pu montrer durant la Coupe du monde

parce que, étrangement,
la FIFA scinde sa diffusion en deux.

Ce que vous allez voir très rapidement
est Juliano Pinto effectuant le botté

quelques minutes
avant d'aller sur le terrain

et de le refaire
devant tout le monde.

Les lumières que vous
allez voir témoignent des procédés.

En fait, les lumières bleues clignotantes
indiquent que l'appareil est prêt.

Il peut alors recevoir
les pensées et renvoyer la rétroaction.

Alors lorsque Juliano va prendre
la décision de botter le ballon,

vous pourrez apercevoir
de les lumières verte et jaune

provenant du casque
descendre jusqu'aux jambes :

elles représentent les commandes
mentales que l'appareil capte

afin de pouvoir les exécuter.

En à peu près 13 secondes,

Juliano a botté le ballon.

Vous pouvez observer les commandes.

Il se prépare.
Le ballon est placé, puis il le botte.

Le plus incroyable c'est que,

10 secondes après le botté,
il nous a regardé sur le terrain,

et il a dit, tout heureux :

« j'ai senti le ballon ».

Et ça, ça n'a pas de prix.

(Applaudissements)

Alors, où cela nous emmènera-t-il?

Il me reste
deux minutes pour vous dire

que cela va au-delà
des limites de votre imagination.

La technologie activée
par le cerveau est arrivée.

Voilà une primeur
– nous l'avons publié il y a un an – :

le premier interface cerveau-cerveau.

Il permet à deux animaux
d'échanger des messages mentaux :

ainsi, lorsque le premier
observe quelque chose,

il est en mesure d'envoyer un SMS mental;
une torpille neuropsychologique

au second,

qui est alors capable
d'effectuer la tâche requise

sans avoir d'indice
de son environnement,

car l'indication provenait
du cerveau du premier animal

Voici la première démonstration.

Je vous la montrer rapidement
car je veux vous montrer la plus récente.

Comme vous le voyez ici,
le premier rat constate

en voyant une lumière
apparaître à gauche de la cage

qu'il doit appuyer sur le levier
de gauche pour recevoir sa récompense.

Il le fait et,

à ce moment,
il envoie un message mental

au second rat,
qui n'a pas vu de lumière.

le rat en question, 70 % du temps,

appuie lui aussi sur le levier
de gauche et reçoit sa récompense

sans jamais avoir vu de lumière.

Alors, nous avons mené
cette expérience un peu plus loin

en faisant collaborer mentalement des
singes en inter-connectant leurs cerveaux.

Nous avons recueilli
leurs activités cérébrales

et les avons combinées pour les faire
contrôler le bras virtuel vu plus tôt.

Ceci est la première fois où
les deux singes ont travaillé de concert

et ont parfaitement synchronisé
leurs cerveaux afin de déplacer le bras;

l'un contrôlant la dimension x,

l'autre la dimension y.

Cela devient encore plus intéressant
lorsqu'on ajoute un singe,

qu'on demande
au premier de gérer x et y,

au deuxième y et z

et au troisième x et z,

et qu'on les amène à travailler ensemble

pour déplacer le bras dans une cible

et être récompensés par
le célèbre jus d'orange brésilien.

Et il y parviennent.

Le point noir représente la moyenne
de leurs trois cerveaux travaillant

parallèlement, en temps réel.

Voilà ce qu'est un ordinateur biologique :

l'interaction par activité cérébrale
et la réalisation d'une objectif moteur.

Où cela nous mènera-t-il?

Nous n'en savons rien.

Nous ne sommes que des scientifiques.

(Rires)

Nous sommes payés
pour être des enfants,

pour repousser les limites et
découvrir ce qui se cache derrières elles.

Mais je sais une chose :

un jour, dans quelques dizaines d'années,

lorsque nos petits-enfants
navigueront sur le web par la pensée,

qu'une mère donnera la vue
à un enfant autiste et aveugle,

ou qu'une personne pourra parler
par l'entremise d'une connexion mentale,

certains se rappelleront peut-être
que tout a commencé un après-midi d'hiver

par un botté impossible
sur un terrain de soccer au Brésil.

Merci.

(Applaudissements)

Merci.

Bruno Giussiani : merci, Miguel,
d'avoir respecté les limites de temps.

Je voudrais te demander
quelques minutes de plus,

car il y a quelques
éléments que j'aimerais aborder;

il est clair que nous avons besoin de deux
cerveaux connectés pour y arriver.

Alors, connectons tout cela ensemble.

Si je comprends bien,

un singe reçoit un signal

et un autre singe réagit à ce signal

simplement parce que le premier l'a reçu
et a transmis l'influx nerveux.

Miguel Nicolelis : Non,
c'est un peu différent.

Aucun singe n'a connaissance
de l'existence des autres.

Ils obtiennent
une rétroaction en deux dimensions ,

mais la tâche qu'il doivent
réaliser est en trois dimensions.

Ils doivent bouger le bras
à travers trois dimensions.

Mais chaque singe n'obtient
que deux dimensions sur l'écran

qu'il contrôle.

Pour que l'expérience fonctionne,

Il faut qu'au moins deux singes
synchronisent leurs cerveaux.

Mais l'idéal, c'est trois.

Nous avons découvert que lorsqu'un
des singes devient moins efficace,

les deux autres
augmentent leurs performances

afin de permettre
au premier de revenir.

C'est un ajustement
qui s'effectue dynamiquement,

mais la synchronisation
demeure généralement la même.

Et si l'on change
sans avertissement

les dimensions que doit gérer le singe

– celui-ci, par exemple, contrôle x et y,

mais il devrait contrôler y et z –,

instantanément, son cerveau
oublie les anciennes dimensions

et se concentre sur les nouvelles.

Je dois dire qu'aucune machine de Turing

ni aucun ordinateur
ne peuvent prédire le résultat

d'une connexion entre cerveaux.

Nous pouvons absorber la technologie,

mais elle ne nous absorbera jamais.

C'est tout bonnement impossible.

BG : Combien de fois
avez-vous tenté l'expérience,

et combien de fois
a-t-elle été couronnée de succès?

MN: Oh, des dizaines de fois.

Avec les trois singes?
Des dizaines de fois.

Je ne pourrais pas en parler ici si je
ne l'avais pas fait à plusieurs reprises.

J'ai oublié de parler,
en raison du manque de temps,

qu'il y a trois semaines,
un groupe européen

a effectué la première
connexion entre deux cerveaux humains.

BG : Comment cela fonctionne-t-il ?

MN : Il y avait peu d'information
– les grandes idées débutent humblement –,

mais, en gros, l'activité
cérébrale d'un sujet

a été transmise à un second
en utilisant une technologie non invasive.

Le premier sujet a reçu – tout comme
nos rats – un message visuel,

qui a été transmis au second sujet,

lequel a reçu une impulsion
magnétique dans le cortex visuel,

en fait, deux
différentes impulsions.

Durant l'une d'elles,
le sujet a vu quelque chose;

durant l'autre, il vu
quelque chose de différent.

Il a ainsi été en mesure
d'indiquer verbalement

quel était le message que le
premier sujet lui avait envoyé

et ce, par Internet,
entre d'un continent à un autre.

BG : Wow.
Voilà où nous en sommes vraiment.

Ce sera là le sujet
de la prochaine conférence TED Talk.

Miguel Nicolelis, merci.
MN : Merci à vous.